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Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallenen Laststromkontakt und ein Verfahren zum torsionsfreien Befestigen eines Kabelschuhs an dem metallenen Laststromkontakt. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein System aus einer Leiterplatte sowie einem daran elektrisch leitend befestigten, erfindungsgemäßen, metallenen Laststromkontakt.
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Bei elektronischen Baugruppen, die für das Leiten von elektrischem Strom mit einer hohen Spannung (etwa im Bereich von 300 V bis 700 V) und einer großen Strommenge (etwa im Bereich von 50 A bis 200 A) vorgesehen sind, etwa bei Wechselrichtern für (auch) elektrisch angetriebene Fahrzeuge, werden üblicherweise sog. Einpresskontakte verwendet, über die die in den elektronischen Baugruppen vorhandenen Leiterplatten mit einer Stromquelle (bspw. einer Hochvolt-Batterie) verbunden werden können.
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Einpresskontakte weisen an ihrer Unterseite üblicherweise zwei oder mehr (etwa 4, 8, 9, 12 oder 16) Einpressstifte auf, die sich senkrecht von einer Grundplatte oder einem Grundelement des Einpresskontakts weg erstrecken. Die Einpressstifte können entweder massiv ausgeführt sein oder als elastische oder flexible Einpressstifte mit entsprechenden Verformungszonen. Einpressstifte können an ihrer Oberfläche eine Reihe von Einkerbungen in äquidistanten Abständen aufweisen, die sich in Richtung der Längsachse der Einpressstifte erstrecken („Riffelstruktur”).
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Um diese Einpresskontakte an einer Leiterplatten befestigen zu können, werden durch die Leiterplatten Löcher mit einer zu dem jeweiligen Einpresskontakt passenden Anzahl, Anordnung und Durchmesser gebohrt, und die erzeugten Löcher metallisiert. Der Durchmesser der Löcher in der Leiterplatte ist dabei kleiner als der Durchmesser der Einpressstifte.
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Beim Einpressen des Einpresskontakts entsteht eine sog. Überpressung, die entweder durch eine Verformung der Löcher oder durch eine Verformung der Einpressstifte aufgenommen werden kann. Bei Einpressstiften mit einer Riffelstruktur erfolgt ein Einschneiden des Einpressstifts in die Metallisierungsschicht. Beim Einpressen des Einpresskontakts kann zwischen dem Einpressstift und dem metallisierten Loch in der Leiterplatte eine luftdichte Verbindung im Wege der Kaltverschweißung bzw. Reibverschweißung ausgebildet werden.
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Bei richtiger Ausführung und Einhaltung der erforderlichen Prozessparameter zeichnen sich die so erzeugten elektrischen Anschlüsse durch eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus.
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Mit den Einpresskontakten und dem Einpressverfahren sind jedoch auch eine Reihe von Nachteilen verbunden:
- – Es müssen in der Leiterplatte zwei oder mehr in ihrer Anordnung und ihrem Durchmesser exakt passende Löcher erzeugt und metallisiert werden.
- – Die Struktur von Leiterplatten ist häufig ausgebildet aus einem in ein Epoxidharz eingebettetes Glasfasergewebe. Derartige Leiterplatten zeichnen sich durch einen Ausdehnungskoeffizienten aus, der dem von Kupfer ähnlich ist. Hierdurch können Spannungen zwischen der Leiterplatte und den darauf/daran befestigten elektrischen/elektronischen Bauteilen bei wechselnden Temperaturen auf ein vertretbares Maß begrenzt werden.
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An den Stellen, an denen die Löcher durch die Leiterplatte hindurch erzeugt werden, wird das Glasfasergewebe notwendiger Weise durchtrennt und enden Glasfasern somit in der Wandung der Löcher. Durch Umwelteinflüsse (wechselnde Temperaturen, Feuchte, die an den Einpresskontakten bzw. den Wandungen der Löcher anliegende elektrische Spannung, etc.) kann entlang der durchtrennten Glasfasern in x-y-Richtung ein sog. Filamente-Wachstum stattfinden. Da sich an die Filamente oftmals Metallatome anlagern, können die Filamente elektrisch leitend sein bzw. werden, so dass die Isolationseigenschaften des Leiterplattenmaterials negativ beeinflusst oder gar zerstört werden können. Dies kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer der elektronischen Baugruppe bzw. der elektronischen Vorrichtung führen, die eine derartige Leiterplatte enthält.
- – Die Länge der Einpressstifte ist größer als die Dicke der jeweiligen Leiterplatte. Dies hat zur Folge, dass die Enden der Einpressstifte nach dem Einpressen der Einpresskontakte an der Unterseite der Leiterplatte hervorstehen. Diese hervorstehenden Enden der Einpressstifte müssen in der Regel in einem weiteren Arbeitsgang elektrisch isoliert werden. Da die Unterseite der Leiterplatte durch die hervorstehenden und gegebenenfalls elektrisch isolierten Enden der Einpressstifte uneben ist, ist es bei einer Anbringung eines Kühlkörpers an der Unterseite der Leiterplatte erforderlich, in dem Kühlkörper entsprechende Aussparungen vorzusehen, wodurch die Kühlleistung insgesamt und insbesondere im Bereich der Einpresskontakte verschlechtert ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laststromkontakt für eine Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, mit dem die Nachteile des Stands der Technik überwunden oder jedenfalls verringert werden. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren zum Befestigen eines Kabelschuhs an dem erfindungsgemäßen Laststromkontakt zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch den Laststromkontakt gemäß Anspruch 1, das Verfahren gemäß Anspruch 5 sowie das System gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein metallener Laststromkontakt für eine elektrisch leitende Befestigung an einer Leiterplatte vorgeschlagen, wobei der Laststromkontakt a) einen Grundkörper mit einer planen Unterseite aufweist, wobei vorgesehen ist, dass der Laststromkontakt mit der planen Unterseite an einer Leiterplatte elektrisch leitend befestigt werden kann, und b) eine sich von einer, von der Unterseite verschiedenen Oberfläche des Grundkörpers erstreckende Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh aufweist.
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Durch den erfindungsgemäßen Laststromkontakt ist kein Ausbilden von Durchkontaktierungen (durchgehenden Löchern) in der Leiterplatte erforderlich, um den Laststromkontakt an der Leiterplatte befestigen zu können. Hierdurch verringert sich entscheidend das Risiko von Filamente-Wachstum. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass bei einem Befestigen des erfindungsgemäßen Laststromkontakts an der Leiterplatte deren Unterseite eben bleibt, keine Isolierung von überstehenden Einpressstiften erforderlich ist und daher ein eventuell erforderlicher Kühlkörper für die Rückseite der Leiterplatte nicht mit entsprechenden Aussparungen versehen werden muss. Hierdurch kann auch auf einfache und kostengünstige Weise eine gute Kühlung über die gesamte Unterseite der Leiterplatte hinweg erreicht werden.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Grundköper des metallenen Laststromkontakts wenigstens über eine Teilstrecke eine polygone, kreisrunde, elipsoide oder Vielrund-Form auf.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst bei dem erfindungsgemäßen Laststromkontakt die Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh einen sich senkrecht zur Unterseite des Grundkörpers erstreckenden Körper, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des metallenen Laststromkontakts umfasst die Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh einen sich parallel zur Unterseite des Grundkörpers erstreckenden Körper, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Befestigen eines Kabelschuhs an einem auf einer Leiterplatte befestigten metallenen Laststromkontakt, mit den Schritten:
- – Bereitstellen einer Leiterplatte mit einem daran elektrisch leitend befestigten Laststromkontakt, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung definiert ist;
- – Bereitstellen eines Kabelschuhs;
- – Bereitstellen einer Mutter mit einem zu dem bei dem Körper des Laststromkontakts vorgesehenen Außengewinde passenden Innengewinde oder Bereitstellen einer Schraube mit einem zu dem bei dem Körper des Laststromkontakts vorgesehenen Innengewinde passenden Außengewinde;
- – Befestigen des Kabelschuhs unter Anschrauben der Mutter an das Außengewinde oder Befestigen des Kabelschuhs unter Einschrauben der Schraube in das Innengewinde,
wobei
während des Schraubens der Mutter oder Schraube
- – bei einem Laststromkontakt mit einem sich senkrecht zur Unterseite des Grundkörpers erstreckenden Körper, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist, der Laststromkontakt durch Anlegen eines zu der Form des Grundkörpers wenigstens in dessen unterem Bereich passenden Schlüssels an den Grundkörper oder durch Klemmen des Grundkörpers mittels Greifbacken eines mehrschenkeligen Werkzeugs fixiert wird, oder
- – bei einem Laststromkontakt, bei dem die Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh einen sich parallel zur Unterseite des Grundkörpers erstreckenden Körper umfasst, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist, der Laststromkontakt mittels Ausüben eines Drucks auf den Grundkörper in Richtung der Unterseite des Grundkörpers mittels eines Druckstempels fixiert wird,
- – um hierdurch das Auftreten von Torsionskräften zwischen der Unterseite des Grundkörpers und der Leiterplatte zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein System aus einer Leiterplatte und einem metallenen Laststromkontakt gemäß der vorliegenden Erfindung oder einer seiner vorteilhaften Weiterbildungen, wobei der metallene Laststromkontakt über eine Lot- oder Sinterschicht elektrisch leitend an der Leiterplatte befestigt ist.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines an einer Leiterplatte befestigten erfindungsgemäßen Laststromkontakts;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines an einer Leiterplatte befestigten erfindungsgemäßen Laststromkontakts;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines an einer Leiterplatte befestigten erfindungsgemäßen Laststromkontakts.
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Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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In den 1–3 sind jeweils Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen metallenen Laststromkontakte 1, 2 schematisch dargestellt, die über eine Lot- oder Sinterschicht 11 an einer Leiterplatte 3 befestigt sind. Ebenfalls ist in den 1–3 jeweils ein an dem Laststromkontakt 1, 2 befestigter Kabelschuh 6 schematisch dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in den Figuren dargestellte Kombination beschränkt.
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Wie in den 1–3 schematisch dargestellt ist, weist der erfindungsgemäße, metallene Laststromkontakt 1, 2 zur elektrisch leitenden Befestigung an einer Leiterplatte 3
- a) einen Grundkörper 4 mit einer planen Unterseite 5 auf, wobei vorgesehen ist, dass der Laststromkontakt 1, 2 mit der planen Unterseite 5 an einer Leiterplatte 3 elektrisch leitend befestigt werden kann, und
- b) eine sich von einer, von der Unterseite 5 verschiedenen Oberfläche des Grundkörpers 4 erstreckende Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh 6 auf.
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Der erfindungsgemäße, metallene Laststromkontakt 1, 2 kann aus jedem geeigneten Metall oder aus jeder geeigneten Metalllegierung bestehen. Als einige nicht abschließende Beispiele seien hier erwähnt Kupfer oder eine Kupferlegierung (bspw. CuZn40Pb2, CuZn39Pb3). Die Oberfläche des erfindungsgemäßen, metallenen Laststromkontakts 1, 2 kann aus einem anderen Metall/einer anderen Metalllegierung bestehen als der Rest des Laststromkontakts 1, 2.
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Auch in Bezug auf die Größe des erfindungsgemäßen, metallenen Laststromkontakts 1, 2 bestehen keine besonderen Einschränkungen und der erfindungsgemäße, metallene Laststromkontakt 1, 2 kann jede geeignete Größe aufweisen, wobei gegebenenfalls die Stromstärke, die elektrische Spannung sowie die erforderliche bzw. wünschenswerte Größe der Unterseite 5 des Grundkörpers 4 für die Wahl einer geeigneten Größe des Laststromkontakts 1, 2 berücksichtigt werden kann.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Grundkörper 4 des Laststromkontakts 1, 2 wenigstens über eine Teilstrecke eine polygone, kreisrunde, elipsoide oder Vielrund-Form auf. Der Grundkörper 4, ein Teil des Grundkörpers 4 bzw. auch die Unterseite 5 des Grundkörpers 4 kann bspw. eine dreieckige, viereckige, fünfeckige oder sechseckige Form aufweisen. Unter einer „Vielrund-Form” ist etwa eine Sechsrundform zu verstehen, die etwa der Form eines Torx®-Bits entspricht. Eine Vielrundform kann eine Innenrund- oder Außenrundform sein.
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Aus fertigungstechnischen Gründen (einfache und kostengünstige Fertigung) wird es oftmals bevorzugt sein, dass der metallene Laststromkontakt 1, 2 entweder einen quadratischen, sechseckigen oder kreisrunden Grundkörper 4 aufweist.
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In 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststromkontakts 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh 6 einen sich senkrecht zur Unterseite des Grundkörpers 4 erstreckenden Körper 7, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist.
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Weist der Körper 7 ein Außengewinde auf, so ist es vorteilhaft, wenn der Körper 7 einen geringeren Durchmesser als der Grundkörper 4 aufweist, da hierdurch das Befestigen eines Kabelschuhs 6 durch das Anschrauben einer Mutter 9 an das Außengewinde besonders einfach zu bewerkstelligen ist.
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In den 2 und 3 ist schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laststromkontakts 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh 6 einen sich parallel zur Unterseite 5 des Grundkörpers 4 erstreckenden Körper 8, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist. Weist der Körper 8 ein Außengewinde auf, so kann bei dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Bereich des Körpers 8 mit dem Außengewinde einen geringeren Durchmesser als der übrige Bereich des Körpers 8 aufweist.
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Der erfindungsgemäße, metallene Laststromkontakt 1, 2 kann auf verschiedene Art und Weise an einer Leiterplatte 3 befestigt werden. So kann der Laststromkontakt 1, 2, genauer die Unterseite 5 des Grundkörpers 4 mit Hilfe eines Lötverfahrens auf einer Leiterplatte 3 befestigt werden, wobei eine Lotschicht 11 zwischen der Unterseite 5 des Grundkörpers 4 und einer Oberfläche der Leiterplatte 3 ausgebildet wird. Geeignete Lotmaterialien und Lötverfahren sind dem Fachmann bekannt.
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Ebenfalls bekannt ist ein Sinterverfahren, mit dem die Unterseite 5 des Grundkörpers 4 an einer Leiterplatte 3 befestigt werden kann. Hierbei wird eine Teilfläche der Leiterplatte 3 und die Unterseite 5 des Grundkörpers 4 versilbert, es wird eine Sinterpaste auf die versilberte Teilfläche der Leiterplatte 3 und/oder die versilberte Unterseite 5 des Grundkörpers 4 aufgebracht, es werden die versilberte Unterseite 5 des Grundkörpers 4 und die versilberten Teilfläche des Leiterplatte 3 zusammengebracht und die Leiterplatten-Laststromkontakt-Kombination bei einer vorgegebenen Temperatur und über eine vorgegebene Zeitdauer erwärmt (bspw. 30 Minuten bei 120°C).
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Soll an der fertiggestellten Leiterplatten-Laststromkontakt-Kombination ein elektrischer Anschluss unter Verwendung eines elektrischen Leiters, an dessen Ende ein Kabelschuh 6 befestigt ist, realisiert werden, so erfolgt dies in der Regel durch ein Anschrauben des Kabelschuhs 6 an den Laststromkontakt 1, 2 unter Verwendung einer Mutter 9 oder einer (in den Figuren nicht dargestellten) Schraube.
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Aus dem Stand der Technik ist eine große Anzahl von bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Kabelschuhen bekannt.
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Bei dem Anschrauben des Kabelschuhs 6 können bei beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laststromkontakts 1, 2 in nachteiliger Weise Torsionskräfte zwischen der Unterseite 5 Grundkörpers 4 und der Leiterplatte 3 auftreten, was zu einer unerwünschten mechanischen Beanspruchung, Beschädigung oder gar Zerstörung der Lot- oder Sinterschicht 11 führen kann.
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Vor diesem Hintergrund ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Befestigen eines Kabelschuhs 6 an einem auf einer Leiterplatte 3 befestigten metallenen Laststromkontakt 1 mit einem sich senkrecht zur Unterseite 5 des Grundkörpers 4 erstreckenden Körper 7, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist, vorgesehen, dass der Laststromkontakt 1 durch Anlegen eines zu der Form des Grundkörpers wenigstens in einer Teilstrecke davon passenden Schlüssels an den Grundkörper 4 oder durch Klemmen des Grundkörpers 4 mittels Greifbacken eines mehrschenkeligen Werkzeugs fixiert wird.
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Sofern das Anlegen eines Schlüssels (Schraubenschlüssels) einen Grundkörper 4 vorgesehen ist, weist der Grundkörper 4 über eine Länge, die wenigstens der Dicke des Schlüsselkopfs entspricht, eine zum Schlüsselkopf korrespondierende Form auf.
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Ist bei diesem Befestigungsverfahren die Leiterplatte 3 bspw. auf eine Unterlage in horizontaler Richtung frei beweglich aufgelegt, so kann durch das Anlegen eines Schlüssels oder durch das Klemmen des Grundkörpers 4 mittels Greifbacken eines mehrschenkeligen Werkzeugs das Auftreten von Torsionskräften zwischen der Unterseite 5 des Grundkörpers 4 und der Leiterplatte 3 beim Anschrauben des Kabelschuhs 6 zuverlässig verhindert werden.
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Bei einem Laststromkontakt 2, bei dem die Anschlussmöglichkeit für einen Kabelschuh 6 einen sich parallel zur Unterseite 5 des Grundkörpers 4 erstreckenden Körper 8 umfasst, der wenigstens im Bereich seines distalen Endes ein Außen- oder Innengewinde aufweist, kann erfindungsgemäß das Auftreten von Torsionskräften zwischen der Unterseite 5 des Grundkörpers 4 und der Leiterplatte 3 dadurch verhindert oder doch in einem großen Maße reduziert werden, indem der Laststromkontakt 2 mittels Ausüben eines Drucks (einer Kraft) F auf den Grundkörper 4 in Richtung zur Unterseite 5 des Grundkörpers 4 mittels eines Druckstempels 10 fixiert wird.
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Wie in 3 schematisch dargestellt ist, kann der Grundkörper 4 des Laststromkontakts 1, 2 an dem Ende, an dem sich auch die Unterseite 5 befindet, im Vergleich zu dem übrigen Grundkörper 4 auch eine größere Querschnittsfläche aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer auch entsprechend vergrößerten Fläche der Unterseite 5, wodurch eine noch „robustere” Kontaktierung des Laststromkontakts 1, 2 an der Leiterplatte 3 ermöglicht wird. Diese Ausgestaltung ist für alle erfindungsgemäßen Laststromkontakte 1, 2 geeignet, also auch für den Laststromkontakt gemäß 1 bzw. Anspruch 3.
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Zusammenfassend kann man festhalten, dass Durchkontaktierungen (durchgehende Löcher) und darin eingepresste Einpresskontakte in einer Leiterplatte 3 dafür verantwortlich sind, dass die Leiterplatte aufgrund von aus der Unterseite hervorragenden Einpressstiften an ihrer Unterseite uneben und elektrisch nicht neutral ist. Durchkontaktierungen provozieren außerdem Filamente-Wachstum entlang der Glasfasern im Leiterplattenmaterial in x-y-Richtung, was zur Zerrüttung der Isolationseigenschaften des Leiterplattenmaterials führt.
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Durch die vorliegende Erfindung, die Laststromkontakte 1, 2 ohne Einpressstifte vorschlägt und bei der erfindungsgemäß ein Kabelschuh 6 an einem auf einer Leiterplatte 3 elektrisch leitend befestigten Laststromkontakt 1, 2 unter Vermeidung von nachteiligen Torsionskräften befestigt wird, werden diese Nachteile des Stands der Technik überwunden.
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Weitere Vorteile, die sich durch die vorliegende Erfindung ergeben, sind
- – eine längere Lebensdauer von elektronischen Bauteilen,
- – eine bessere Spannungsfestigkeit der Bauteile,
- – eine einfachere Montage der Bauteile, und
- – eine größere Freiheit in der Konstruktion.
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Da die erforderlichen und/oder geeigneten Materialien und Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Laststromkontakts 1, 2, Lot- und Sinterverfahren zum Befestigen des Laststromkontakts 1, 2 an einer Leiterplatte 3 sowie diverse Ausführungsformen von Kabelschuhen, etc. dem Fachmann bekannt sind, braucht in der vorliegenden Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laststromkontakt
- 2
- Laststromkontakt
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Grundkörper
- 5
- Unterseite des Grundkörpers
- 6
- Kabelschuh
- 7
- Körper
- 8
- Körper
- 9
- Mutter
- 10
- Druckstempel
- 11
- Lot- oder Sinterschicht
